Cu o cerere puternică pentru un debit de date mai rapid, comunicațiile prin satelit utilizează scheme de modulare de ordin înalt pentru a-și îmbunătăți eficiența spectrală. Cu toate acestea, deteriorările canalelor prin satelit, cum ar fi pierderile mari de cale, întârzierile și deplasările Doppler, reprezintă provocări severe pentru realizarea unei rețele prin satelit. Tehnicile de modulație pentru comunicațiile prin satelit necesită nu numai viteze de transfer de date mai rapide, ci și reducerea la minimum a impactului deficiențelor de canal. Această postare discută tehnicile de modulație pentru comunicațiile prin satelit moderne.

Exigențele comunicațiilor prin satelit

În sistemele de modulație digitală, un semnal vectorial poate fi în schimbarea magnitudinii semnalului purtător, a fazei sau a unei combinații a acestora. Cele mai fundamentale scheme de modulație digitală sunt amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK), frequency-shift keying (FSK) și quadrature amplitude modulation (QAM).

În transmisia prin satelit, amplificatoarele de putere RF funcționează adesea la nivelurile lor de compresie pentru a maximiza eficiența conversiei. Funcționarea la nivelurile de compresie provoacă distorsiuni AM/AM și AM/PM, așa cum se arată în figura 1. De exemplu, punctele exterioare ale constelației I/Q au niveluri de putere de ieșire mai mari, iar compresia se datorează puterii de ieșire saturate în amplificatorul de putere RF. Astfel, amplificatoarele neliniare necesită o schemă de modulație tolerantă la distorsiune. De asemenea, puterea de ieșire mai mare creează mai mult zgomot în semnal.

Scheme de modulație digitală cu anvelopă constantă

Schemele de modulație cu anvelopă constantă, cum ar fi FSK și PSK, sunt cele mai potrivite pentru comunicațiile prin satelit, deoarece minimizează efectul amplificării neliniare în amplificatorul de mare putere. Figura 2 ilustrează diagramele de constelație ale PSK binar (BPSK), PSK în cuadratură (QPSK) și 8PSK. Acestea transmit 1, 2 și 3 biți pe simbol, în mod corespunzător. Pentru PSK de ordin superior, punctele de constelație sunt mai apropiate unele de altele, iar sistemul este mai sensibil la deteriorările canalului. Pentru FSK, 4FSK (2 biți pe simbol) are o eficiență spectrală mai mare decât cea a lui 2FSK, dar deviația de frecvență mai mică va cauza o sensibilitate proastă în receptor.

Scheme de modulație digitală cu anvelopă neconstantă

Modulația de amplitudine în cvadratură (QAM) este o modulație neconstantă care schimbă atât faza cât și amplitudinea pentru a crește eficiența spectrală. Figura 3 ilustrează diagrama de constelație a 16PSK și 16QAM. 16QAM mărește distanța dintre punctele de constelație și are o rezistență mai bună la afectarea semnalului. Cu toate acestea, 16QAM crește, de asemenea, nivelurile de amplitudine la trei (inele) în comparație cu 16PSK. Amplificatoarele de putere RF necesită o gamă liniară mai largă pentru schemele de modulație neconstante.

Echipamentele pentru sateliți trebuie să fie capabile să transmită la un nivel ridicat de putere, menținând în același timp o liniaritate de ieșire ridicată. De asemenea, schemele de modulație mai înalte permit un debit de date mai mare, dar sunt sensibile la afectarea semnalului.

Rezistă la distorsiunea neliniară cu APSK

Comunicațiile prin satelit utilizează comutarea prin deplasare de fază în amplitudine (APSK) pentru a rezista la distorsiunea neliniară. Figura 4 ilustrează o diagramă de constelație pentru schemele de modulație APSK și QAM. Stările APSK sunt în inele, astfel încât compresia amplitudinii să fie aceeași într-un anumit inel. Constelația 16APSK are doar două amplitudini (inele), în timp ce 16QAM are trei amplitudini. Constelația 32APSK are trei amplitudini, față de cinci în 32QAM. Mai multe niveluri de amplitudine fac ca inelele să fie mai apropiate și mai dificil de compensat pentru neliniarități.

Există mai mulți parametri variabili pentru modulația APSK, cum ar fi numărul de inele, numărul de simboluri pe un inel și spațierea dintre inele. Un proiectant poate, de asemenea, să ajungă la un echilibru între un raport mai mic între puterea de vârf și puterea medie (PAPR) și o rezistență mai bună la distorsiune.

Îmbunătățirea debitului de date folosind OFDM

Multiplexarea ortogonală cu diviziune în frecvență (OFDM) este o tehnică digitală cu mai multe purtătoare care posedă multe avantaje unice față de abordările cu o singură purtătoare. Tehnica a fost adoptată pentru multe standarde de comunicații fără fir în bandă largă, cum ar fi 4G/5G, Wi-Fi, difuzare video digitală pentru sistemele de comunicații terestre și prin satelit.

OFDM utilizează mai multe semnale subpurtătoare ortogonale foarte apropiate pentru a transmite date în paralel. Acest procedeu oferă o eficiență spectrală mai bună decât schemele tradiționale de modulație digitală, cum ar fi QAM și PSK, și robustețe față de distorsiunea liniară a canalului. Figura 5 prezintă o singură purtătoare OFDM (graficul din stânga) și mai multe subpurtătoare (graficul din dreapta). Vârful fiecărei subpurtătoare apare la trecerile pe zero ale celorlalte. Semnalul este ortogonal în domeniul frecvenței, iar fiecare subpurtătoare nu interferează cu celelalte. Subpurtătoarele pot aplica diferite formate de modulație și codificare a canalului, în funcție de nivelul de zgomot și de interferență al subbenzilor individuale, care asigură o legătură de comunicație robustă.

Cu toate acestea, semnalul OFDM are un PAPR mai mare decât schemele de modulare tradiționale, necesitând un back off mare pentru a evita comprimarea la un nivel ridicat al puterii de ieșire. Efectele neliniare generate de amplificatorul de mare putere pot introduce mai multe distorsiuni într-un sistem de satelit care provoacă o defecțiune a sistemului. Prin urmare, caracterizarea performanțelor de distorsiune ale componentelor RF ale sateliților este esențială pentru realizarea unei bune proiectări a sistemului.

Concluzie

Majoritatea sistemelor de comunicații optimizează eficiența în proiectarea sistemelor, inclusiv spectrală, de putere și de cost. Selectarea schemelor de modulație pentru comunicațiile prin satelit depinde de canalele de comunicație, de limitările hardware și de cerințele privind debitul de date.

De asemenea, atât schemele de modulație personalizate APSK, cât și OFDM aduc provocări de testare – generarea și analiza schemelor de modulație personalizate și proprietare. În următorul post, vom discuta despre cum să simplificăm generarea și analiza semnalelor personalizate.

.